Badanie przy niskiej szybkości odkształcania (SSRT)

Badanie przy niskiej prędkości odkształcania (SSRT) to metoda stosowana do określania progów naprężeń i podatności na pękanie korozyjne naprężeniowe poprzez zastosowanie stałej szybkości wydłużenia materiałów, szczególnie w środowiskach takich jak przemysł jądrowy i lotniczy. Ogólnie rzecz biorąc, szczegółowo opisana w normie ASTM G129 „Standardowa praktyka badania przy niskiej prędkości odkształcania w celu oceny podatności materiałów metalowych na pękanie wywołane środowiskiem”, jest to szybka technika oceny materiałów, która ocenia podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe lub kruchość wodorową poprzez zastosowanie bardzo niskiej szybkości wydłużenia (zwykle do 100 nm) do próbki w określonym środowisku. Technika ta klasyfikuje zachowanie się materiału w środowiskach korozyjnych poprzez wywołanie przyspieszonego zniszczenia w porównaniu z badaniami konwencjonalnymi.

Badanie przy niskiej prędkości rozciągania odnosi się do testów mechanicznych wykonywanych przy celowo niskich prędkościach odkształcania, znacznie niższych niż w przypadku konwencjonalnych prób rozciągania (które zazwyczaj wykorzystują wysokie prędkości odkształcania). Testy te są niezbędne w materiałoznawstwie i inżynierii materiałowej z dwóch głównych powodów:

Aby ocenić zachowanie materiałów w warunkach powolnego obciążenia, symulujących rzeczywiste warunki eksploatacji (np. zachowanie przypominające pełzanie lub długotrwałe obciążenia statyczne)
Ocena podatności na pęknięcia wywołane czynnikami środowiskowymi, takimi jak pękanie korozyjne naprężeniowe i kruchość wodorowa.

Najbardziej znaną formą jest test powolnej szybkości odkształcania (SSRT), znany również jako test rozciągania przy stałej szybkości odkształcania. W tym teście gładka próbka rozciągana jest rozciągana ze stałą niską szybkością odkształcania, jednocześnie wystawiając ją na działanie określonego medium (ściernego, wysokiej temperatury lub gazu). Typowe szybkości odkształcania wahają się od ^10⁻⁸ do ^10⁻³ s⁻¹ ^{, a typowe wartości dla badań pękania korozyjnego naprężeniowego wynoszą około}^10⁻⁵ do ^10⁻⁷ s⁻¹ ^. Wolna szybkość daje czas na to, aby oddziaływania środowiskowe (np. korozja, dyfuzja wodoru lub degradacja warstwy pasywnej) wpłynęły na powstawanie i rozprzestrzenianie się pęknięć, co może nie być widoczne w szybszych testach.

Materiały są wrażliwe na szybkość odkształcania: ich wytrzymałość, ciągliwość i tryby uszkodzenia mogą się znacznie różnić w zależności od szybkości odkształcania.

Pod wpływem dużych odkształceń (np. w wyniku uderzeń lub kolizji) wiele metali i polimerów staje się mocniejszych, ale także bardziej kruchych.
Przy niskich prędkościach odkształcania dominują efekty lepkościowe lub zależne od czasu. Na przykład, pełzanie metali w wysokich temperaturach lub zwiększony wpływ środowiska w środowiskach ściernych. Na przykład, ciastolina rozciąga się ogromnie, gdy jest ciągnięta powoli, ale pęka, gdy jest ciągnięta szybko.

W testach rozciągania przeprowadzonych na stali miękkiej przy niskich prędkościach odkształcania, badacze zaobserwowali różnice w granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie i wydłużeniu równomiernym w zależności od wybranej prędkości odkształcania w niskim zakresie. Nawet niestandardowe projekty próbek mogą dawać powtarzalne wyniki dla tych właściwości.

Niskie prędkości odkształceń w przypadku polimerów i kompozytów pomagają symulować długotrwałe warunki eksploatacji (np. powolne nagrzewanie się deski rozdzielczej pojazdu), natomiast duże prędkości są niezbędne do modelowania kolizji.

Badanie powolnego odkształcania zazwyczaj przebiega według następujących kroków:

Standardową próbkę do rozciągania (płaską lub czasami karbowaną) umieszcza się na maszynie wytrzymałościowej z precyzyjną, powolną regulacją głowicy trawersowej.
Próbkę poddaje się działaniu odpowiedniego medium (np. wody słonej, wody o wysokiej temperaturze w symulacjach jądrowych, gazu zawierającego siarkowodór w przypadku zastosowań w złożach ropy naftowej lub powietrza jako punktu odniesienia).
Rozciąga się go w sposób ciągły ze stałą, niską szybkością, aż do zerwania.
Główne kryteria są następujące:
- Czas awarii
- Przedłużenie awarii
- Redukcja powierzchni (miara ciągliwości)
- Maksymalne napięcie
- Fraktografia po badaniu (zastosowanie mikroskopii elektronowej skaningowej (SEM) do porównania wżerów ciągliwych, kruchego rozszczepienia, pęknięć międzykrystalicznych lub wewnątrzkrystalicznych)

Badania zazwyczaj przeprowadza się zarówno w środowisku agresywnym, jak i w obojętnym środowisku odniesienia (np. powietrzu lub argonie) dla porównania. Znaczne zmniejszenie ciągliwości w środowisku wskazuje na podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe lub kruchość wodorową.

Oscylacyjne badanie przy powolnej szybkości odkształcania to odmiana badania, która wielokrotnie niszczy ochronne warstwy pasywne poprzez dodawanie małych cykli obciążeń wokół granicy plastyczności, co sprawia, że jest to bardziej agresywna metoda oceny długoterminowej trwałości stopów, takich jak stale nierdzewne lub stopy niklu.

Normy regulujące badanie wytrzymałości na rozciąganie przy powolnym rozciąganiu są następujące:

ASTM G129: Ogólna procedura badania przy małej szybkości odkształcania.
ISO 7539-7: Badanie pękania korozyjnego naprężeniowego przy użyciu małej szybkości odkształcania.
NACE TM0198: Do stopów odpornych na korozję w środowisku kwaśnym.

Główne obszary zastosowań metody badania powolnej szybkości odkształcania są następujące:

Pękanie korozyjne naprężeniowe i kruchość wodorowa: Szeroko stosowane w przemyśle naftowym i gazowym (rurociągi w środowisku kwaśnym), energetyce jądrowej (reaktory wodne ciśnieniowe i stale nierdzewne napromieniowane w wodzie z reaktora z wrzącą wodą), przemyśle lotniczym i kosmicznym oraz w przetwórstwie chemicznym. Sortuje stopy, ocenia środowiska (pH, temperatura, potencjał) i bada mechanizmy z tym związane.
Efekt napromieniowania: Badania przy niskiej szybkości odkształcania materiałów napromieniowanych ujawniają utwardzanie, utratę ciągliwości i powstawanie kanałów dyslokacyjnych prowadzących do kruchości.
Ogólne właściwości wytrzymałościowe: testy przy niskiej szybkości odkształcania stali i innych metali w celu zrozumienia zależności zachowania od prędkości bez wpływu środowiska.
Narzędzie skanujące: Jego względna szybkość (od kilku godzin do kilku dni) w porównaniu do testów obciążenia statycznego, które mogą trwać miesiące lub lata, sprawia, że jest to doskonała metoda kwalifikacji materiałów i badań mechanistycznych.

Na przykład w badaniach jądrowych testy przy niskiej szybkości odkształcania w symulowanej wodzie reaktora wodnego pod ciśnieniem przy około 7,4 x 10⁻⁷ ^s⁻¹^wykazały utwardzanie pod wpływem napromieniowania osiągające poziom nasycenia około 10 dPa, zmniejszoną ciągliwość przy wyższych dawkach oraz sporadyczne rozszczepianie lub pękanie międzykrystaliczne.

Zalety tej metody są następujące:

Przyspieszone, ale realistyczne do dynamicznych testów wytrzymałościowych w warunkach ściernych.
Prosta konfiguracja, powtarzalność i uniwersalność (próbki płaskie/z nacięciami, różne media).
Zapewnia wyraźne wskaźniki ilościowe (np. współczynniki ciągliwości) i dowody fraktograficzne.

Metoda ta ma jednak pewne ograniczenia:

Szybkość naciągu musi być dobrana ostrożnie: zbyt wolna lub zbyt szybka może mieć negatywny wpływ na precyzję.
Konsekwencje są poważne: materiały mogą nie przejść testów, ale zachowywać się odpowiednio w trakcie eksploatacji (co wymaga korelacji z innymi testami, takimi jak dane terenowe lub mechanika pęknięć).
Interpretacja może być złożona: zmniejszona ciągliwość może być wynikiem tworzenia się pęknięć, ich rozprzestrzeniania się lub obu tych zjawisk.
Nie jest to rozwiązanie idealne dla wszystkich materiałów. Niektórzy krytycy twierdzą, że może ono wyolbrzymiać ryzyko w porównaniu z obciążeniem statycznym.

Nasza organizacja, dysponująca kompetentną i doświadczoną kadrą, od wielu lat rozumie potrzeby klientów, zapewniając im zaawansowane usługi testowe oraz wspierając ich we wdrażaniu, wdrażaniu i doskonaleniu systemów zarządzania. W tym zakresie oferujemy również firmom usługi testowania przy niskiej prędkości odkształceń (SSRT).